의공학과 학생이 설명해주는 보행분석과 로봇 의족

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2021년 6월 15일 한국기계연구원에서 로봇의족을 개발해 화제다.

단순히 다리의 모양만 구현해낸 고정형 의족과는 달리, 

다양한 센서가 환자의 보행을 분석하여, 그것을 계산하고 환자에게 맞게 모터가 작동하는 방식이다

그렇다면 우리나라뿐 아니라 세계에 의족은 어느수준까지 도달해 있을까?

먼저, 인간의 보행에대하여 알아볼 필요가 있다.

위 사진은 인간의 보행을 각각 표현한것인데 종류가 정말 다양하다.

자세히 하면 너무 어렵기때문에 우리가 알아야 할것은 

발이 땅에 붙어있는 동안에 phase, (입각기) Stance phase와

땅에서 떨어져 swing하는 (유각기) Swing phase이다.

발이 땅에 닫는 순간부터 다시 땅에 닫는 순간이 하나의 싸이클이다.

입각기와 유각기는 하나의 싸이클에서 각각 60%와 40%를 차지한다.

로봇의족에서 가장 중요한부분이 바로 보행분석인데,

그 이유는 각각 사람마다 걷는 타이밍이나 자세, 근육의 움직임이 모두 다르기때문이다.

위 사진은 척추 사진인데, 보행분석을 통해 척추의 이상이 있는지 검사를 할수 있으며,

인체의 각 관절 모멘트는 보행분석 분야에 적용되어 

정상보행과 병적보행의 비교평가 및 각 질환의 분류, 진단 및 처방에 이용되고 있으며, 

정형 외과적 수술후 경과를 정량적으로 평가하는데 사용된다.

+ 보행 분석할때 사용되는 패드는 하나에 천만원이 넘기때문에 잘 사용 안됨. 저렴한 패드를 개발 연구한게 교수님 박사노문 내용인데 나중에 다루겠음

이렇기 때문에 각각 사람마다 보행이 다르기때문에 로봇의족은 보행분석이 매우 중요하다.

이제는 본격적인 로봇의족에 대하여 알아보자

미시간 대학의 로버트 그레그 교수팀이 개발한 의족이다. 

이런 형태의 관절구동기어가 탑재되어 있다.

이 의족은 자유 스윙 무릎과 회생 제동 기능을 제공하며, 

이는 발이 지면에 닿을 때 포착되는 에너지로 배터리를 점진적으로 충전한다. 

이 기능은 하루에 한 번 충전하면 일반적인 의족 사용자의 보행 거리를 두 배 이상 늘릴 수 있다. 

부자연스러운 걸음걸이는 기존의 걸음걸이보다 더 많은 에너지를 필요로 하고, 

엉덩이와 허리에 추가적인 스트레스와 통증을 유발하며, 결국 관절 손상을 야기한다.  

이 로봇 다리는 사람처럼 동작하고 반응할 수 있기 때문에 땅에 닿으면 자연스럽게 자유롭게 흔들리는 무릎과 충격 흡수가 가능하다. 

한국기계연구원도 이와 비슷한 구동기어 형태의 의족을 개발했다.

아래의 사진은 하버드에 박용래 연구팀이 개발중인 의족이다.


 

위 영상에서 볼수있듯이, 긴 관형 공압 인조 근육, 경량 플렉시블 센서, 첨단 제어 소프트웨어를 사용하여 피복된 외골격의 가장 중요한 특성을 되찾았다.

이 의족을 통해 다리마비 환자의 재활이나, 하지절단 환자 재활에 도움을 줄수 있을것이다.

이 의족은 아직 연구중이므로 아직 시행착오와 넘어야할 장애물들이 많다.

휴머노이드 로봇이나 로봇의족은 아직 완벽한 사람의 보행을 구현할수 없다. 

구분할수없는 수많은 근육의 움직임과 인간 개인의 개성을 기계로 구현이 불가능하기 때문이다.

미래에는 강철의 연금술사의 오토메일 처럼 멋진 의족이 나오지 않을까